DE10124338A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Druckniveaus in einem Hydraulikkreis - Google Patents

Abstract

Die bedarfsorientierte Ölversorgung in einem Getriebe wird durch ein System von Steuer- und Regeleinheiten realisiert. Im besonderen ist hier eine kombinierte Steuer- und Regeleinheit genannt, welche elektronisch angesteuert wird und den Druck mechanisch regelt. Steuergröße ist ein Spulenstrom, der mit dem Druck proportional ansteigt. Von Nachteil ist, dass im Falle eines Systemausfalles, es fließt also kein Spulenstrom, auch der Druck minimal ist. In vorliegender Erfindung hingegen wird ein Maximaldruck in der Hydraulik auch ohne Strom bereitgestellt. Dies garantiert bei einem Systemausfall die Betriebsmöglichkeit von Schaltelementen, welche nur mit hohem Druck geschalten werden können. DOLLAR A Realisiert wird dies durch eine kombinierte Steuer- und Regeleinheit. Steuereinheit ist ein Magnetsystem, welches die Regeleinheit, einen Ventilschieber (14), bewegt. Weiterhin ist ein Federsystem vorgesehen, welches den Ventilschieber (14) stromlos in seiner Ruhelage hält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks in einem Hydraulikkreis mit einer Ansteuerung eines Proportional-Magneten zur Betätigung ei­ nes Steuerelements in einem Proportional-Druckregelventil, insbesondere für die Kupplungsbetätigung in einem automati­ schen Kraftfahrzeuggetriebe gemäß Patentanspruch 1. Weiter­ hin beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

In einem Getriebe, insbesondere einem automatischen Kraftfahrzeuggetriebe, wird der Druck in einem Hydraulik­ kreis bedarfsorientiert geregelt. Während für die Schmier­ ölversorgung der Getriebebauteile das Druckniveau im Hyd­ raulikkreis niedrig gehalten werden kann, muss während der Schaltvorgänge der Druck stark angehoben werden, um bei­ spielsweise Schaltelemente schnell befüllen zu können.

Nach dem Stand der Technik werden für die Regelung des Drucks in Hydraulikkreisen Druckregler eingesetzt, welche Nachfolgeschieber zur Kupplungsbetätigung ansteuern. In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmel­ dung 100 03 896.4 der Anmelderin ist ein Druckregler be­ schrieben, der mittels eines feststehenden Proportional- Magneten, einer Magnetspule, eines beweglichen Magnetankers und einem bestimmten Ansteuerungssystem ein nachfolgendes Schieberventil bedarfsmäßig verstellt, und damit den Druck im Hydraulikkreis regelt.

Gemäß oben genannter Schrift befindet sich der bewegliche Magnetanker in seiner Ruhelage, wenn kein Strom an die Magnetspule angelegt ist und der hydraulische Druck im System niedrig ist. Bei steigender Stromstärke wird innerhalb der Magnetspule ein magnetischer Fluss erzeugt, der über die Bauteile und Luftspalte seinen magnetischen Kreis bildet. Aufgrund dieses magnetischen Flusses wird der Magnetanker von dem Magnetkern angezogen. Der Zusammenhang von Spulen­ stromstärke zu dem Weg, um den der Magnetanker aufgrund der magnetischen Kräfte verstellt wird, ist in einem weiten Bereich proportional. Wird jedoch der Abstand von Magnetan­ ker zum Magnetkern hin bis zu einem bestimmten Punkt redu­ ziert, steigen die magnetischen Kräfte überproportional an und der Magnetanker schnappt ruckartig an den Magnetkern an. In dieser Haltestellung des Magnetankers sind die mag­ netischen Kräfte so groß, dass der Strom bis zu einer be­ stimmten Größe reduziert werden kann, ohne dass der Magnet­ anker wieder abfällt. Befindet sich der Magnetanker in der Haltestellung ist der Druck im Hydraulikkreis maximal.

Dieses Druckregelsystem eignet sich gut für einen Kraftfahrzeugbetrieb, bei welchen bei einem möglichen Stromausfall das System nicht auf einen hohen Druck im Hyd­ raulikkreis angewiesen ist, um beispielsweise die Kupplun­ gen zu betätigen.

In Personkraftfahrzeugen jedoch sind erhöhte Anforde­ rungen für die Sicherheit des Benutzers erforderlich, die ein Druckregelsystem bei Stromausfall, wie es die angeführ­ te Druckschrift beinhaltet, nicht bietet. Das sogenannte "fail-safe-Verhalten" (Verhalten bei Stromausfall) des aufgeführten Druckregelsystems ist nicht in der Lage ohne Strom einen Druck zu erzeugen, welcher nötig wäre, um die Kupplungen zu betätigen, damit das Fahrzeug wieder in Be­ trieb genommen werden kann.

Diese Anforderung, einen hohen Druck bereitzustellen, wenn kein Strom zu Verfügung steht, ist Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch den Einsatz eines Druckregelsystems und eines Verfahrens zur Steuerung des Systems, welche mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 einen Ventilschieber gegen einen hohen Druck im Hyd­ raulikkreis halten, auch wenn dem Druckregelsystem kein Strom zu Verfügung steht.

Das Druckregelsystem der vorliegenden Erfindung be­ steht aus einem Ventilschieber, welcher unmittelbar den Druck im Hydraulikkreis einstellt und einer Steuereinheit, welche die Bewegung des Ventilschiebers steuert.

Die Steuereinheit befindet sich in einem Magnetgehäu­ se. Sie setzt sich im wesentlichen aus einer Magnetspule, einem Magnetkern und einem Magnetanker zusammen. In der Magnetspule fließt ein variabler Strom, welcher im Spulen­ kern einen magnetischen Fluss erzeugt, der je nach Höhe des fließenden Spulenstromes unterschiedlich stark ausgebildet wird. In dem Spulenkern befinden sich ein Magnetkern und ein beweglicher Magnetanker, der mit dem Ventilschieber gekoppelt ist. Der Magnetkern sitzt auf einem Magnetkern- bzw. Ankerstangenlager zwischen dem Magnetgehäuse und dem Magnetanker. Zum Magnetgehäuse hin wird er mit einer Mag­ netkernfeder gehalten und auf der anderen Seite trennt ihn eine magnetisch unwirksame Scheibe mit Antihaftwirkung vom Magnetanker. Der, durch den Spulenstrom erzeugte magneti­ sche Fluss, fließt über das Magnetgehäuse, den Magnetanker und den Magnetkern und erzeugt dabei in den Luftspalten zwischen diesen Bauteilen eine magnetische Kraft. Fließt kein Spulenstrom entstehen keine magnetischen Kräfte und die Bauteile befinden sich in ihrer Ruhelage. Die Ruhelage des Magnetankers stellt sich folglich nur durch die an ihm anliegenden Kräfte der Vorspannfeder, der Justierfeder und Magnetkernfeder ein. Die Gesamtfederkraft ist so einge­ stellt, dass sie den Magnetanker gegen die Druckkraft im Hydraulikkreis, welche auf den Ventilschieber wirkt, in seiner Ruhelage hält. Dadurch ist gewährleistet, dass, wenn kein Spulenstrom fließt, der Magnetanker in seiner Ruhelage verbleibt und dadurch der Ventilschieber öffnet und somit im Hydraulikkreis maximaler Druck besteht.

Wird nun ein Stromimpuls auf die Spule gegeben, ent­ steht ebenso sprungartig ein magnetischer Fluss. Dieser magnetische Fluss erzeugt in den Luftspalten eine magneti­ sche Kraft, welche so groß ist, dass der magnetische Kern vom Magnetanker über das Ankerstangen-Magnetkernlager zum Magnetgehäuse hin bewegt wird und dort beide Bauteile ruck­ artig zur Anlage kommen. Der magnetische Kern bleibt am Magnetgehäuse anliegen, auch bei anschließender Absenkung des Spulenstromes. Grund hierfür liegt in der magnetischen Kraft, welche aufgrund des nun minimalen Luftspaltes zwi­ schen Magnetkern und Magnetgehäuse, auch bei geringem mag­ netischen Fluss ausreichend stark ist. Der Magnetanker je­ doch löst sich vom Magnetkern ab und verbleibt in einem, der magnetischen Kraft und der Position des Regelventils entsprechendem Abstand zum Magnetkern.

Wird der Spulenstrom nun wieder erhöht, steigt der magnetische Fluss und somit auch die magnetische Kraft im Luftspalt zwischen Magnetkern und Magnetanker. Der Magnet­ kern ist so geformt, dass die Erhöhung des Spulenstromes eine dazu proportionale Kraft am Magnetanker bewirkt, wobei die Proportionalität von Spulenstrom zur Bewegung des Mag­ netankers von einem Mindestabstand von Magnetanker zu Mag­ netkern begrenzt wird. Unterhalb dieses Mindestabstandes nämlich steigt die magnetische Kraft überproportional zum Spulenstrom an, was ein plötzliches "Schnappen" des Magnet­ ankers an den Magnetkern zur Folge hätte. Durch die magne­ tisch unwirksame Scheibe zwischen Magnetkern und Magnetan­ ker wird jedoch verhindert, dass der Abstand von Magnetan­ ker zu Magnetkern so gering wird, dass die Magnetkraft ü­ berproportional ansteigt.

Entsprechend der Bewegung des Magnetankers schließt der Ventilschieber. Eine kontinuierliche Erhöhung des Spu­ lenstromes bedeutet dementsprechend eine kontinuierliche Absenkung des Druckes im Hydraulikkreis.

Bei Reduzierung des Spulenstromes sinkt die magneti­ sche Kraft und der Abstand zwischen Magnetkern und Magnet­ anker wird größer. Durch die Kopplung von Magnetkern und Ventilschieber öffnet nun der Ventilschieber. In diesem Falle steigt der Druck wieder im Hydraulikkreis.

Wird der Spulenstrom bis zu einem bestimmbaren Wert reduziert, löst sich der Magnetkern aufgrund der Magnet­ kernfeder wieder vom Magnetgehäuse. Dieser bestimmbare Wert hängt von der Größe der Auflagefläche des Magnetkerns und der Größe der Federkonstanten ab.

Besonders vorteilhaft bei dieser Erfindung ist ein gutes "fail-safe"-Verhalten des Druckregelsystems, das be­ deutet im besonderen, dass im Falle eines Ausfalls der Spannungsversorgung an der Steuereinheit der Ventilschieber geöffnet ist und dadurch im Hydraulikkreis ein Maximaldruck anliegt. Dieser Maximaldruck ist nötig um Schaltelemente, beispielsweise Kupplungen zu betätigen und sollte darum jederzeit verfügbar sein.

Weiterhin ermöglicht die Kombination von Steuereinheit und Ventilschieber zum einen die Einsparung mindestens eines Ventils, beispielsweise eines Halteventils oder Druckredu­ zierventils, und zum anderen die Einsparung einer Vorsteu­ erstufe.

Weitere für die Erfindung wesentlichen Merkmale und die daraus resultierenden Vorteile sind den nachfolgenden Beschreibungen des Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zur Steuerung eines Propor­ tionalmagneten mit dem Ventilschieber und

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Druckes und des Spulenstromes über der Zeit.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Vorrichtung gezeigt, mit der mittels eines Ventilschiebers 14 und einer Steuer­ einheit für den Ventilschieber 14 der Druck im Hydraulik­ kreis geregelt wird.

Es ist ein Magnetgehäuse 12 zu sehen, welches im wesentli­ chen die funktionalen Bauteile umschließt und schützt, aber auch den magnetischen Fluss kontrolliert leitet. Im vorde­ ren Teil des Magnetgehäuses 12 befindet sich ein serielles Federnpaar, bestehend aus einer Vorspannfeder 5 und einer Justierfeder 7. Die Vorspannfeder 5 befindet sich zwischen dem Magnetgehäuse 12 und einem Federteller 6 und die Jus­ tierfeder 7 liegt ebenfalls an dem Federteller 6 an und wird auf der anderen Seite mit einer Einstellschraube 8 eingestellt. Eine weitere serielle Feder, die Magnetkernfe­ der 2 ist zwischen Magnetgehäuse 12 und einem beweglichen Magnetkern 1 angebracht. Liegt keine Spannung an der Mag­ netspule 13 an sind Magnetkernfeder 2 und Vorspannfeder 5 so vorgespannt, dass deren Summenfederkraft den Ventil­ schieber 14 maximal öffnet. Diese Summenfederkraft ist grö­ ßer dimensioniert als die maximale Druckkraft, welche von dem Hydraulikkreis auf die Stirnfläche des Ventilschie­ bers 14 wirkt. Auf diesem Weg wird sicher gestellt, dass der Ventilschieber 14 in seiner Endposition verbleibt und nicht durch die entgegenwirkende Druckkraft der Hydraulik in einen Regelbereich geschoben wird.

In dem Hauptteil des Magnetgehäuses 12 befindet sich eine Magnetspule 13. Durch deren Spulenkern führt eine Mag­ netstange 10 mit einem Magnetanker 9. Weiterhin befindet sich in dem Spulenkern ein Magnetkern 1, welcher sich auf einem kombinierten Ankerstangen-Magnetkernlager hin und her bewegen lässt. Ein weiteres Lager, das Ankerstangenlager 11 befindet sich auf der anderen Seite des Magnetgehäuses 12. Eine keilförmige Tauchstufe 15 am Magnetkern 1 realisiert den Proportionalmagnetteil, das bedeutet, dass sich zwi­ schen dieser Tauchstufe 15 und dem Magnetanker 9 die magne­ tische Kraft so ausbildet, dass der Magnetanker 9 proporti­ onal zur magnetischen Kraft bewegt wird. Eine magnetisch unwirksame Scheibe 3 mit Antihaftwirkung zwischen Magnet­ kern 1 und Magnetanker 9 verhindert, dass sich die Bauteile zu nah kommen, und überproportionale magnetische Kräfte ausgebildet werden oder ein Restmagnetismus in den Bautei­ len entsteht, der die Eigenschaften der Bauteile beein­ flusst.

In Fig. 2 ist ein Diagramm gezeigt, in dem der Druck P (gestrichelte Linie) und der Spulenstrom I (durchgezogene Linie) über die Zeit aufgetragen ist. Das Diagramm ist in sechs, für das Verfahren der Erfindung, kennzeichnende Be­ reiche aufgeteilt.

Im Bereich I liegt kein Strom an der Magnetspule 1 an. Da­ durch verbleibt der Magnetanker 9 in seiner Ruhelage und der Ventilschieber 14 ist geöffnet. In dieser geöffneten Ventilschieberstellung ist der Druck im Hydraulikkreis ma­ ximal.

Wird nun auf die Magnetspule 13 kurzeitig ein Stromimpuls gegeben, wie im Bereich II dargestellt, entsteht im Spulen­ kern ein großer magnetischer Fluss der in den Luftspalten zwischen den Grenzflächen der durchfluteten Bauteile hohe magnetische Kräfte erzeugt. Aufgrund dieser hohen magneti­ schen Kräfte bewegen sich der Magnetkern 1 und der Magnet­ anker 9 "schaltmagnetartig" in Richtung federseitiges Mag­ netgehäuse 12 bis zur Anlage und eliminieren in dieser Po­ sition die Federkraft der Magnetkernfeder 2. Die Summenfe­ derkraft, welche auf den Magnetanker 9 bzw. den Ventil­ schieber 14 wirkt, reduziert sich somit dementsprechend. Nun ist die Druckkraft der Hydraulik größer als die Summen­ federkraft und als Folge davon wird der Ventilschieber 14 teilweise geschlossen und der Druck fällt während der Zeit­ dauer des Spulenstromimpulses stark ab.

An den aneinander liegenden Grenzflächen von Magnet­ kern 1 und Magnetgehäuse 12 entsteht wegen dem minimierten Luftspalt eine so große magnetische Kraft, dass der Spulen­ strom reduziert werden kann ohne dass sich der Magnetkern 1 vom Magnetgehäuse 12 löst. Der Magnetanker 9 hingegen löst sich vom Magnetkern 1, da hier der Luftspalt aufgrund der magnetisch unwirksamen Scheibe 3 größer ist und die magnetische Kraft dadurch geringer ausfällt. Entsprechend der Bewegung des Magnetankers 9 öffnet teilweise der Ventil­ schieber 14 und der Druck im Hydraulikkreis steigt entspre­ chend. Der Druckabfall wird gestoppt und der Druck stabili­ siert sich. In Bereich III ist dieser Effekt gezeigt.

Wird der Spulenstrom kontinuierlich erhöht wie in Be­ reich IV 20 zu sehen, wird der Magnetanker 9 proportional an die Tauchstufe 3 des Magnetkerns 1 gezogen. In gleichem Maße schließt der Ventilschieber 14 und der Druck fällt in ebenfalls proportionaler Weise zum Spulenstrom.

Bei maximalem Spulenstromwert ist Druckwert null erreicht (Bereich V) Reduziert man wieder den Spulenstrom gemäß Bereich VI, steigt der Druck proportional an.

Bei Unterschreitung eines bestimmbaren Spulenstromwertes wie in Bereich VII löst sich der Magnetkern 1 vom Magnetge­ häuse 12 und der Ventilschieber öffnet. Der Druck im Hyd­ raulikkreis steigt dann schlagartig auf das maximale Druck­ niveau an.

Bezugszeichen

1

beweglicher Magnetkern

2

Magnetkernfeder

3

Magnetkernantiklebescheibe

4

Kombinierte Ankerstangen-/Magnetkernlager

5

Vorspannfeder

6

Federteller

7

Justierfeder

8

Einstellschraube

9

Magnetanker

10

Ankerstange

11

Vorderes Ankerstangenlager

12

Magnetgehäuse

13

Magnetspule

14

Ventilschieber

15

Tauchstufe

16

magnetisch unwirksame Scheibe
I Bereich
II Bereich
III Bereich
IV Bereich
V Bereich
VI Bereich

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Proportional- Magneten mit einem Magnetkern (1), einem Magnetanker (9) und einer Magnetspule (13) in einem Magnetgehäuse (12), wobei der Proportional-Magnet mit einer elektronischen Steuervorrichtung zur Betätigung eines Steuerelements in einem Schaltventil oder einem Proportional-Druckregelven­ til, insbesondere einem Druckregelventil für die Kupplungs­ betätigung in einem automatischen Kraftfahrzeug-Getriebe, verbunden ist und der Magnetanker (9) zwischen einem Regel­ bereich und einem Haltebereich mit einer magnetischen Hal­ teposition des Magnetankers hin- und herbewegbar ist, wobei die Bewegungen des Magnetankers (9) in der Vorrichtung er­ kannt werden und ein definierter Übergang des Magnetan­ kers (9) von der Halteposition in den Regelbereich ausführ­ bar ist und Mittel vorgesehen sind, welche den Magnetan­ ker (9) in einer Ruhelage halten, sofern an der Magnetspu­ le (13) kein Strom fließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mittel beispielsweise als Federn ausgeführt sind, welche den Magnetanker (9) bei hohem Druck im Hydraulikkreis in seiner Ruhelage halten und eine Erhöhung des Spulenstromes den Magnetanker (9) und den Magnetkern (1) aus deren Ruhelage heraus bewegt und somit eine Absenkung des Druckes im Hydraulikkreis erzeugt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetkernfeder (2) und eine Vorspannfeder (5), welche den Magnetanker (9) halten, vorgespannt sind, wobei deren Federkräfte sich im Gleichgewicht mit dem Druck im Hydraulik­ kreis und einer Abstützkraft am Magnetgehäuse (12) befin­ den.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sich die Magnetkernfe­ der (2) zwischen Magnetkern (1) und Magnetgehäuse (12) und die Vorspannfeder (5) zwischen dem Magnetgehäuse (12) und einem Federteller (6), welcher mit dem Magnetanker (9) ver­ bunden ist, befinden.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass eine Justierfeder (7) zwischen einer am Magnetgehäuse (12) sit­ zenden Einstellschraube (8) und dem Federteller (6) vorge­ sehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass mindes­ tens ein magnetisch unwirksames Betriebsmittel vorgesehen ist, welches den Magnetanker (9) von magnetisch wirksamen Bauteilen trennt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die magnetisch unwirksamen Betriebsmittel als magnetische unwirksame Scheiben (16) ausgebildet sind, welche eine Antihaftwirkung aufweisen und welche sich zu den Stirnseiten des Magnetankers (9) am Mag­ netkern (1) und am Magnetgehäuse (12) befinden.

8. Verfahren zur Steuerung eines Proportionalmagneten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (9) in Verbindung mit dem Steuerelement den Druck im Hydraulik­ kreis maximal hält, wenn kein Strom in der Magnetspule (13) fließt und sich der Magnetanker (9) somit in seiner Ruhepo­ sition befindet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Impuls des Spulenstroms eine magnetische Kraft erzeugt, die den Magnetkern (1) und den Magnetanker (9) an das Magnetgehäuse (12) anzieht und dort hält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einer anschließenden Spulenstromreduzierung, die magnetische Kraft zwischen Mag­ netkern (1) und Magnetgehäuse (12) ausreichend hoch ist und den Magnetkern (1) weiterhin in seiner Position zu hält.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einer anschließenden Spulenstromreduzierung der Magnetanker (9) aus seiner Hal­ teposition heraus in einen Regelbereich bewegt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche von 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Re­ gelbereich die Bewegungen des Magnetankers (9) und des Ven­ tilschiebers (14) proportional zu der Spulenstromstärke sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass sich bei einer einstellbaren Spulenstromstärke der Magnetkern (1) vom Mag­ netgehäuse (12) löst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mit der Loslösung des Mag­ netkerns (1) vom Magnetgehäuse (12) die Federkräfte wirken und den Magnetanker (9) in seiner Ruheposition halten und den Ventilschieber (14) öffnen.